【正文】 板替代進(jìn)口鋼板的重要原因之一。首先焊接界對于低溫用的焊接材料主要考慮的是9%Ni類鋼。就低溫焊條來講，比利時焊接工作者發(fā)現(xiàn)，焊接過程完成以后，由于母材金屬對于填充金屬的稀釋作用使得接頭的整體力學(xué)性能受到一定影響，直流焊接時存在磁偏吹現(xiàn)象，應(yīng)采取交流焊接，同時使得焊縫金屬無論在常溫或者196℃情況下均保持奧氏體組織，從而保證了焊縫金屬的熱膨脹系數(shù)與所用母材接近，常規(guī)力學(xué)性能和夏比沖擊韌性值均超過母材，并且焊縫金屬熔合線附近沒有削弱的現(xiàn)象。后來英國焊接工作者在80Ni20CrC焊絲的基礎(chǔ)上通過調(diào)整碳、錳含量，以及增加相應(yīng)的Nb含量，研制出一種新型的焊絲，該焊絲在保證中低Ni焊接材料80Ni20CrC焊絲優(yōu)點的基礎(chǔ)上，消除了該焊絲易出現(xiàn)熱裂紋的缺陷，同時提高其沖擊韌性[6]。表28國外部分低溫鋼焊接材料熔敷金屬化學(xué)成分焊條牌號化學(xué)成分(%)CMnSiPSNi日本神鋼NB1日本神鋼NB2日本日鋼N11法國沙福N55——德國TENACITO70B——瑞典 OK表29國外部分低溫鋼焊接材料熔敷金屬力學(xué)性能焊條牌號σs(Mpa)σb(Mpa)δ5(%)溫度(℃)沖擊吸收功(J)日本神鋼NB15306203050130日本神鋼NB25006103060120日本日鐵N11548610316094美國林肯LN8018C1545600236067法國沙福N555406202660110德國TENACITO70B440520246070瑞典 OK5206102660105最近幾年，國內(nèi)焊接研究人員已經(jīng)開始著手研究低溫儲罐技術(shù)，其中包括低溫儲罐使用的埋弧焊焊接材料及焊縫低溫韌性研究。同時國內(nèi)焊接工作者也對于國產(chǎn)的低溫板材的低溫性能做了初步的研究。當(dāng)環(huán)境溫度較60℃低時，應(yīng)當(dāng)重新進(jìn)行系列試驗，以評定其各項性能指標(biāo)是否符合該環(huán)境的使用要求。表210國內(nèi)部分低溫鋼焊接材料熔敷金屬化學(xué)成分焊條牌號化學(xué)成分(%)CMnSiPSTiNiGJW607RGJW707RYTW607—YTW807A—表211國內(nèi)部分低溫鋼焊接材料熔敷金屬力學(xué)性能焊條牌號σs(Mpa)σb(Mpa)δ5(%)沖擊吸收功溫度(℃)(J)GJW607R4755582960116GJW707R4505403160123YTW6074955752960173YTW807A4955902880106 低溫儲罐用鋼的焊接性低溫儲罐用鋼是具有高強(qiáng)度鋼的各種性能，所以其生產(chǎn)過程也基本相同。因此，低溫儲罐用鋼的焊接性與高強(qiáng)度鋼的焊接性是相通的。因為鋼材的韌性一般都是隨著溫度的下降而降低，低溫下易于發(fā)生毀滅性的脆性斷裂[7]。焊縫金屬是被焊接熱加熱熔化了的母材和填充材料經(jīng)過化學(xué)冶金反應(yīng)后，冷卻凝固的鑄造組織；而熱影響區(qū)則是靠近焊縫金屬，由于熱傳導(dǎo)作用、與焊縫處于不同距離、經(jīng)歷不同熱循環(huán)、或者說被加熱到不同溫度的母材金屬。圖21 電弧焊焊接接頭各區(qū)的名稱及位置表212 碳鋼的焊接熱影響區(qū)組織名稱大體的加熱溫度組織變化焊縫金屬熔化溫度以上結(jié)晶后呈樹枝狀組織粗晶區(qū)大于1250℃晶粒粗大，脆硬組織，易產(chǎn)生各種裂紋混晶區(qū)1100～1250℃晶粒和韌性等力學(xué)性能處于中間細(xì)晶區(qū)900～1100℃加熱到Ac3以上，發(fā)生再結(jié)晶而晶粒細(xì)化，韌性等力學(xué)性能良好部分相變區(qū)750～900℃加熱到Ac1～Ac3之間，只有部分珠光體被加熱而轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體并被球化，含碳量較高，慢冷時可轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)化的珠光體加鐵素體珠光體共析組織。這個區(qū)域的熱循環(huán)特點是加熱溫度高、冷卻速度快；組織特點是晶粒粗大、淬透性強(qiáng)；性能特點是硬度大、韌性低、韌脆性轉(zhuǎn)變溫度高、易產(chǎn)生各種裂紋(包括延遲裂紋、低塑性裂紋、液化裂紋、再熱裂紋、剝離裂紋及層狀撕裂等)。焊縫金屬的缺口韌性受母材、焊接材料、焊接方法及焊接條件的影響，從金屬學(xué)上來說，可歸納為晶粒尺寸、析出物及基體組織特性等三大要素?？偠灾?，最終影響焊縫金屬缺口韌性的還是焊接金屬的組織最為重要[9]。那么，焊縫金屬完全可以用選擇焊接材料的方法加以改善，而焊接熱影響區(qū)的改善就只能靠選擇合適的焊接方法和調(diào)節(jié)焊接條件。它涉及的過程十分復(fù)雜，根據(jù)與焊縫金屬距離的遠(yuǎn)近，最高加熱溫度是從母材金屬的熔點一直到室溫。這一整個過程被叫做焊接熱循環(huán)，這個過程也就是個特殊的熱處理過程。從表212可以看到，焊接熱影響區(qū)被加熱到最高溫度的粗晶區(qū)是整個焊接熱影響區(qū)的韌性最差的區(qū)域，在熱處理過程中對材料有影響的主要是加熱溫度、保溫時間及冷卻速度。由于焊接熱循環(huán)曲線的冷卻段是一條連續(xù)的曲線，各溫度下的冷卻速度是不同的，因而往往用某一特定溫度區(qū)間的冷卻時間來代表這一特定溫度區(qū)間的平均冷卻速度[10]。在焊縫金屬產(chǎn)生的有：弧坑裂紋、熱裂紋、縱向裂紋、橫向裂紋；焊接熱影響區(qū)產(chǎn)生的冷裂紋有：焊道下裂紋、根部裂紋、焊趾裂紋等。除以上在焊接時或焊接后產(chǎn)生的裂紋外，還有焊后熱處理產(chǎn)生的再熱裂紋以及焊接結(jié)構(gòu)在使用時產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕裂紋、疲勞裂紋以及異種材料堆焊產(chǎn)生的剝離裂紋等。其中焊接熱裂紋包括焊縫金屬和焊接熱影響區(qū)在高溫下產(chǎn)生的裂紋。我們可以通過降低碳、硫、磷、硼及控制鎳、硅等的含量以及改善焊縫金屬形狀、焊接接頭形式及焊接條件等來防止焊接結(jié)晶裂紋的產(chǎn)生。所謂氫致延遲裂紋，就是由于氫氣的存在而發(fā)生的具有延遲特征的裂紋，這種延遲可以在焊后幾分鐘至幾天后發(fā)生，可以在晶內(nèi)，也可以在晶界發(fā)生。其防止氫致延遲裂紋的工藝措施有：焊條電弧焊時，焊條應(yīng)嚴(yán)格按照說明書的要求烘干及保存；增大焊接熱輸入或提高預(yù)熱及層間溫度以延長冷卻時間；在焊接接頭冷卻到200℃以上，就進(jìn)行緊急焊后熱處理；選擇能夠降低拘束應(yīng)力的焊接順序。 低溫儲罐焊接工藝方法一般來說，低溫鋼在焊接方法與普通低碳鋼的方法一樣，可以應(yīng)用各種熔焊、壓焊、釬焊等各種焊接方法，但是，最常見的還是焊條電弧焊、埋弧焊、熔化極氣體保護(hù)焊、鎢極氬弧焊、CO2氣體保護(hù)焊[12]。焊條電弧焊的焊接效率比較低，熔化極氣體保護(hù)焊為保證質(zhì)量一般采用脈沖電流來進(jìn)行焊接。鎢極氬弧焊能保證焊接接頭具有較高的質(zhì)量，生產(chǎn)率低，成本較高[13]。在焊前準(zhǔn)備中又主要以坡口設(shè)計為主，其中最為常見的坡口形式包括X形、Y形，局部地區(qū)用到I形和U形兩種。%Ni鋼單面焊返修工藝為例，說明坡口角度對于焊縫低溫沖擊韌性的影響，具體影響見表213。時達(dá)到最大值,以后隨坡口角度增大，焊縫金屬的低溫沖擊韌性減小。這主要是因為留下的滲碳體進(jìn)入焊縫,促使碳偏析而使Mn和C比例失調(diào),導(dǎo)致C與Fe結(jié)合形成碳化物,增加了鋼的脆性[14]。一般預(yù)熱及層間溫度過低，焊縫低溫性能會受到影響，同樣層間溫度過高，焊縫低溫沖擊韌性損失也比較大。預(yù)熱、層間溫度對焊接接頭低溫性能的影響見表214，焊接熱輸入對低溫韌性的影響見表215。不同的焊后熱處理工藝對改變焊縫部位低溫韌性有不同的效果，其中625℃加熱1小時后空冷可使低溫性能最好，而625℃。表216 焊后預(yù)熱PWHT對焊接接頭低溫性能的影響焊后熱處理焊態(tài)550℃空冷625℃空冷625℃爐冷100℃的沖擊吸收功(J)由于外加磁場和電流本身產(chǎn)生的磁場作用，在進(jìn)行9%Ni鋼焊接過程中一般會出現(xiàn)磁偏吹現(xiàn)象，磁偏吹力的大小受到外加磁場和電流本身產(chǎn)生磁場的電磁力影響，同時還決定于母材的剩磁強(qiáng)度大小。消除磁偏吹應(yīng)做到以下幾點：焊接母材從鋼廠運到工地的過程中要避免磁化的可能，不準(zhǔn)許用磁力起重機(jī)。在焊完一層焊道后，測量焊縫的各點剩磁強(qiáng)度，若超過規(guī)定指標(biāo)則應(yīng)采取去磁措施。盡量采取交流短弧焊接[15]。焊接冷裂紋及焊接接頭脆性的共同影響因素是焊接熱循環(huán)，而焊接熱循環(huán)的重要參數(shù)是焊接接頭的冷卻時間，而影響冷卻時間的因素有板厚、焊接形式、坡口形式、焊接區(qū)氣體、環(huán)境溫度、焊接方法、預(yù)熱和層間溫度、焊接參數(shù)等。 控制焊接熱輸入焊接熱輸入的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： (21)式中，E為電弧電壓(V)；I為焊接電流(A)；V為焊接速度(cm/min)[17]。對防止焊接裂紋要確定一個焊接熱輸入的下限值，實際上是確定一個臨界冷卻時間；而為防止焊接接頭脆化，則要確定一個焊接熱輸入的上限值。其焊接熱輸入就是要控制在上述下限之上與上限之下。該式的t8/5即為臨界冷卻時間。對于防止焊接接頭脆化的評估，可以利用SHCCT圖。不過，多層焊時，如果焊接順序安排及層間間隔時間安排妥當(dāng)，也可以收到既能防止焊接裂紋又能防止焊接接頭脆化的雙重效果。 預(yù)熱和后熱為了防止焊接冷裂紋，采用預(yù)熱和后熱措施是很重要的。預(yù)熱和后熱的加熱方式有氣體加熱、紅外線加熱器加熱、電阻加熱及感應(yīng)加熱等[18]。表217 預(yù)熱和后熱所使用的熱源的加熱速度熱源種類氣體加熱電阻加熱紅外線加熱器加熱加熱速度(℃/s)～～～關(guān)于預(yù)熱對焊接接頭冷卻時間的影響，還受到預(yù)熱方法、預(yù)熱范圍、預(yù)熱速度、預(yù)熱溫度和保持時間、板厚等的制約。圖22 后熱溫度及保溫時間對焊接接頭吸收擴(kuò)散氫的擴(kuò)散逸出的影響在多層焊的時候，若在產(chǎn)生焊接冷裂紋之前就焊接下一層，則是對上一層進(jìn)行了再加熱，這就使產(chǎn)生冷裂紋的危險大大減少。但由于按層積累的原因，焊層序號數(shù)越大，該道焊縫金屬中的擴(kuò)散氫含量就越多。所以，采用預(yù)熱和后熱，尤其是后熱是十分必要的。之后再加工去除這一回火焊道即可。預(yù)熱和后熱溫度(包括層間溫度)都由操作者自己控制，一般將其控制在已定的上、下限溫度之間。 焊接缺陷對接頭性能的影響 通?？偸窍Ｍ附咏宇^能夠與母材有相同性能，但是材料經(jīng)過焊接之后，無論從組織結(jié)構(gòu)上還是化學(xué)成分上，都是很難與母材完全一樣。低溫用儲罐是用于儲存溫度較低且壓力較大的液化氣體，因此對焊接缺陷的研究是必不可少的。2. 表面缺陷：未焊透、咬肉、皺褶、凹陷、表面裂紋等。4. 材質(zhì)不均勻：如化學(xué)成分及組織上的不均勻等，又分為宏觀和微觀兩方面。5. 焊接殘留應(yīng)力和焊接變形：內(nèi)應(yīng)力、外拘束、焊接收縮、角變形等。其中，應(yīng)力集中和變形集中對冷裂紋、液化裂紋、再熱裂紋、韌性、疲勞性能、應(yīng)力腐蝕裂紋、腐蝕疲勞、氫脆、蠕變及熱疲勞都有重要的影響。應(yīng)力集中通常并不會造成強(qiáng)度按比例的下降，在靜載荷情況下，也不必考慮其在室溫附近對材料韌性有什么影響，但是，在承受交變載荷時，應(yīng)力集中將使強(qiáng)度下降，下降的程度根據(jù)材質(zhì)的不同而變化。因此在制造過程中應(yīng)盡量減少應(yīng)力集中現(xiàn)象。在這里，首先要求出應(yīng)力集中率，然后從表面缺陷與使用性能之間關(guān)系的實驗數(shù)據(jù)來推定，在根據(jù)對性能的要求及對缺陷檢查出來的能力來決定容許缺陷的臨界尺寸。由于焊接缺陷的尺寸、形狀、位置及分布狀態(tài)復(fù)雜多樣，氣孔等三維缺陷和焊接裂紋等二維缺陷用非破壞試驗方法及其他適當(dāng)?shù)姆椒ǖ臋z出能力有限，而且從負(fù)載條件、環(huán)境條件對使用性能的影響上也有限。因此我們在制造和使用儲罐的過程中都應(yīng)該嚴(yán)格的按照參考標(biāo)準(zhǔn)來使用。組織為鐵素體+少量珠光體，最低使用溫度為70℃。表31 09MnNiDR低溫鋼的化學(xué)成分鋼材CSiMnSPNiNbAl標(biāo)準(zhǔn)值≤～～≤≤～≤≤實測值表32 09MnNiDR低溫鋼的力學(xué)性能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)板厚/mmσs/MPaσb/Mpaδ5(%)AKV70/J冷彎180?GB 353119966～16300440～5702370℃，≥27D=2a16～36280430～5602336～60260430～56023 試驗用鋼09MnNiDR的焊接性試驗鋼材的焊接性，是指在一定的條件下獲得良好焊接接頭性能的難易程度。評定鋼材焊接性的試驗方法很多,本課題采用以下幾種試驗對該鋼種的焊接性進(jìn)行研究。但若碳含量較高或結(jié)構(gòu)厚大、拘束度太大，可以預(yù)熱，但預(yù)熱溫度應(yīng)該控制在較低的水平(100～150℃)，多層焊焊道間溫度也要保持在低水平(150℃左右)。由于是低溫鋼，防止結(jié)構(gòu)的低溫脆性斷裂是最重要的要求，因此，其低溫缺口韌度也就是最重要的使用性能，而且也是焊接接頭應(yīng)該滿足的性能，已為公認(rèn)的是低溫缺口夏比沖擊吸收功要不低于20ft 斜 Y 坡口焊接裂紋試驗斜 Y 型坡口焊接裂紋試驗主要是評定碳鋼和低合金高強(qiáng)鋼焊接熱影響區(qū)對冷裂紋敏感性。試件的形狀如圖31所示。焊接工藝參數(shù)見表33。圖31 試件的形狀表33 焊接工藝參數(shù)焊條型號焊條直徑(mm)焊接電流(A)焊接電壓(V)焊接速度(cm/min)MKW707DR150～16028～2910～15圖32 試驗焊縫的位置試驗焊縫為雙面焊接，應(yīng)事先焊好，注意防止角變形和未焊透。試驗焊縫在 0℃、18℃、100℃下施焊，焊后靜置 24h 再檢測和解剖。焊條電弧焊焊接工藝大致如下：1. 在0℃以上環(huán)境一般不需要預(yù)熱，需要預(yù)熱時，可以預(yù)熱100℃。3. 焊條要按說明書的規(guī)定進(jìn)行烘干，并放入保溫筒中，隨用隨取。5. 為了防止晶粒粗大，而危害低溫韌性，應(yīng)采取小焊接熱輸入焊接。盡量采用多層多道焊，焊道